JP2020501352A - トランジスタセル - Google Patents

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Abstract

複数のトランジスタセルを含むGaN電界効果トランジスタ(FET)。トランジスタセルのゲート金属層は、ゲート−ドレインオーバーハング(幅0.2μm〜2.5μm)及びゲート−ソースオーバーハング(幅0.3μm〜1μm)、並びにトランジスタセルの各々の狭端部におけるワイドニングを含み、ここで、ゲート金属層(150)のワイドニングの幅は2〜5μmである。トランジスタセル(sell)の金属(1)層は金属(0)層を超えて延びる。最終金属層は、各々台形形状を有するドレインプレート及びソースプレートを含む。ゲート金属層をゲートバスに接続するための2つより多くのビアがワイドニングに配置される。トランジスタセルの長手方向寸法に沿って分布する6つより多くのビアが金属(1)層を金属(0)層に接続する。複数のタイプ2ビアが金属(1)層を最終金属層に接続する。【選択図】図1

Description

テレビジョン、電動車両、レーダシステム、電動モータ制御装置、及び/又は無停電電源システムなどの、様々な製品及びシステムは、高圧電源から送電することができる比較的大量の電力の供給を必要とし得る。様々なタイプの半導体電界効果トランジスタ(FET:field effect transistor)を、製品及び/又はシステムによって必要とされ得るスイッチング機能を実行するための電力スイッチとして使用することができる。
本発明の実施形態によれば、長手方向寸法を有する複数のトランジスタセルを含むGaN電界効果トランジスタ(FET)が提供され、ここで各々のトランジスタセルは、シリコン基板と、IIIーV窒化物半導体層と、オーミック金属ソース端子及びオーミック金属ドレイン端子を含むオーミック金属層と、ゲート−ドレインオーバーハング、ゲート−ソースオーバーハング、及びトランジスタセルの各々の狭端部におけるワイドニングを含み、ゲート−ドレインオーバーハングの幅が0.2μm〜2.5μm、ゲート−ソースオーバーハングの幅が0.3μm〜1μm、及びゲート金属層のワイドニングの幅が2〜5μmである、ゲート金属層と、金属0層と、ゲートバスを含み、金属0層を超えてトランジスタセルの長手方向寸法に沿ってトランジスタセルの中心に向かって延び、第2のフィールドプレートを定める金属1層であって、第2のフィールドプレートの幅が3〜6μmであり、金属1層と金属0層との間の重なりが−1μm〜7μmである、金属1層と、各々が台形形状を有するドレインプレート及びソースプレートを含む最終金属層と、各々がゲート金属層をゲートバスに電気的に接続するための、ゲート金属層のワイドニングに配置される2つの第1のビア1アレイであって、各々の第1のビア1アレイが2つより多くのビアを含む、第1のビア1アレイと、金属1層を金属0層に電気的に接続するための、トランジスタセルの長手方向寸法に沿って分布する6つより多くのタイプ1ビアと、金属1層からのドレイン領域を最終金属層内のドレインプレートに、並びに、金属1層からのソース領域を最終金属層内のソースプレートに、電気的に接続する複数のタイプ2ビアと、を含むことができ、ここで、ゲート金属層、金属0層及び金属1層は、誘電物質によって絶縁される。
本発明の実施形態によれば、GaN FETはDモード又はEモードGaN FETである。
本発明の実施形態によれば、金属1層は、各々のトランジスタセルの長手方向寸法に沿って延びる開口を含む。
本発明の実施形態によれば、金属1層からのドレイン領域を最終金属層内のドレインプレートに電気的に接続するタイプ2ビアの数は、ドレインプレートの幅に適合させられ、金属1層からのソース領域を最終金属層内のソースプレートに電気的に接続するタイプ2ビアの数は、ソースプレートの幅に適合させられる。
本発明と考えられる主題は、本明細書の結論部分において具体的に指摘され、明確に特許請求される。説明を簡単且つ明確にするために、図面内に示される要素は必ずしも一定の尺度で描かれてはいない。例えば、幾つかの要素の寸法は、提示を明確にするために他の要素に比べて誇張されている可能性がある。さらに、参照番号は、対応する又は類似の要素を示すために、図面の間で繰り返されている可能性がある。しかし、本明細書は、機構及び操作の方法の両方に関して、それらの目的、特徴及び利点とともに、以下の詳細な説明を、添付の図面と共に読みながら参照することによって最もよく理解されるであろう。
本発明の幾つかの実施形態による、複数の隣接するトランジスタセルの金属1層及び最終金属層の概略的な上面図である。 本発明の幾つかの実施形態による、トランジスタセルのゲート金属層、金属0層及び金属1層の概略的な部分的上面図である。 本発明の幾つかの実施形態による、例示的なトランジスタセルの概略的な部分的断面図である。 本発明の幾つかの実施形態による、トランジスタセルのゲート金属層の概略的な部分的上面図である。 トランジスタセルのゲート金属層、金属0層及び金属1層並びに幾つかの他の層の概略的な部分的上面図である。 本発明の幾つかの実施形態による、トランジスタセルのゲート金属層、金属0層及び金属1層の概略的な部分的上面図である。 本発明の幾つかの実施形態による、金属1層(ゲートバスの部分を含む、セルの最上部)の概略的な部分的上面図である。 本発明の幾つかの実施形態による、最終金属層の概略的な部分的上面図である。
以下の詳細な説明において、幾つかの実施形態の完全な理解を与えるために多くの特定の細部が説明される。しかし、当業者であれば、幾つかの実施形態は、これらの特定の細部なしに実施することができることを理解するであろう。他の例では、周知の方法、手順、構成要素、ユニット及び/又は回路は、議論を不明瞭にしないように、詳細には説明されていない。
用語「複数の(plurality)」及び「複数の(a plurality)」は、本明細書で使用される場合、例えば、「複数の(multiple)」或いは「2つ又はそれ以上の」を含む。例えば、「複数の項目」は2つ又はそれ以上の項目を含む。
「1つの実施形態」、「一実施形態」、「例証的な実施形態」、「例示的な実施形態」、「種々の実施形態」などに対する言及は、そのように説明された実施形態(単数又は複数)が、特定の特徴、構造、又は特性を含むことができるが、あらゆる実施形態が必ずしも特定の特徴、構造、又は特性を含むわけではない。さらに、語句「1つの実施形態において」の繰り返しの使用は、必ずしも同じ実施形態を指すわけではないが、そうであることもあり得る。
本明細書で使用される場合、特に別に明記されない限り、一般的な対象を記述するための順序を示す形容詞「第1の」、「第2の」、「第3の」などの使用は、単に、同様な対象の異なる例が言及されることを示し、そのように記述された対象が、一時的に、空間的に、序列において、又は任意の他の仕方で、所与の順序になければならないことを意味することを意図したものではない。
幾つかの例証的な実施形態によれば、半導体電界効果トランジスタ(FET)はシリコン(Si)材料及び/又は他の材料に依拠し得る。例えば、FETは、ソース端子及びドレイン端子を含むことができ、これらは、電源を負荷に接続するために使用することができる。FET内のさらに別の端子を、ソース端子とドレイン端子との間に配置することができ、この端子はゲート端子と呼ぶことができる。ゲート端子は、電流輸送チャネルの抵抗を制御することができる。
動作中、共通接地に対するものとすることができる電圧をゲート端子に印加することができる。例えば、この電圧はFET内に電界を生成することができ、この電界が、例えば、FETの抵抗を制御するように作用することができ、トランジスタをオン及び/又はオフに変えるように働くことができる。例えば、FETがオンに変わると、ゲート端子に印加された電圧は、例えば、ソース端子とドレイン端子との間を比較的大きい電流が流れるのを可能にするように、電流輸送チャネル内の抵抗を減らすことができる。FETがオンに変わるとき、ソース端子とドレイン端子との間の全抵抗は、トランジスタのオン抵抗、Rdsonと呼ぶことができる。
幾つかの例証的な実施形態によれば、窒化物ベースの半導体、例えば、窒化ガリウム(GaN:Gallium Nitride)及び窒化アルミニウム(AlN:Aluminum Nitride)など、は比較的大きいバンドギャップを有するとして特徴付けることができる。例えば、バンドギャップは、GaNに対して約3.4eV及び/又はAlNに対して約6.2eVとすることができる。例えば、窒化物半導体層構造を含むことができるFETは、さらに、大きいバンドギャップ層に隣接する小さいバンドギャップ層を含むことができる。それらのFETは、比較的高濃度の、高飽和ドリフト速度を有するとして特徴付けることができる高移動度電子を有することができる。高移動度電子は、層の間の界面における狭い三角型ポテンシャル井戸の中に蓄積することができて、比較的薄いシート状の電子濃度を形成し、これを2次元電子ガス(2DEG:two−dimensional electron gas)と呼ぶことができる。例えば、2DEGの幾何学的構造及び/又は位置のために、2DEG内の電子は、一般に、非常に低いドナー不純物散乱を示すことができ、並びに、結果として、例えば、それぞれ1800cm/V*s及び1.5×107cm/sのオーダの比較的高い電子移動度及び/又は速度を有することができる。2DEG内の電子の濃度は、1×1013/cmほどにも高くなり得る。上記の結果として、例えば、FETトランジスタは非常に低い比Rds(on)を有することができる。
幾つかの例示的な実施形態によれば、2DEG内の高移動度電子を生成するステップ及び/又は制御ステップによって動作するFETトランジスタは、高電子移動度トランジスタ(HEMT:high electron mobility transistor)と呼ぶことができる。異なる組成の複数の層を含むことができる半導体層構造体は、ヘテロ構造体を有するものと呼ぶことができ、異なる組成の2つの隣接する層の間の界面は、ヘテロ接合部と呼ぶことができる。幾つかの実施形態において、本技術は、トランジスタセルの複数の並列接続を含む回路に関わる。
幾つかの実施形態により、用語「セル」又は「トランジスタセル」は、本発明の実施形態により、電流フローモードと電圧遮断モードとの間を切り替えることができる基本デバイスユニットを記述するために使用することができる。GaNスイッチ電力トランジスタ、又はGaN FETには、GaNトランジスタの所定の性能をもたらすために、例えば、GaN FETのより高い電流及びより低いRdsonを可能にするために、金属相互接続によって並列に接続された1つ、2つ又はそれ以上のセルを使用することができる。
当技術分野で知られているように、GaN FETトランジスタは、典型的には、通常プロセス設計キット(PDK:process design kit)として供給される、既知のよく確立された鋳造固有の設計ルールを用いて設計され作られる。本明細書で開示されるトランジスタセルの基本動作並びに層構造及び機能は、GaN FETトランジスタに類似するが、本発明の実施形態は、本明細書において詳しく説明されるように、既知の参照セルから大きく逸脱し、ミラー比、CgsとCgdとの比、スイッチング時間、及びスイッチングエネルギーなどの点で、より優れた性能をもたらす。
ここで、本発明の幾つかの実施形態による、本明細書ではトランジスタセル100とも呼ばれる複数の隣接するFETセルの金属1層170及び最終金属層180の概略的な上面図である図1を参照する。トランジスタセル100は、Dモード又はEモードGaN FETとすることができる。図1中の領域Bは、一般に単一のトランジスタセル100を定める。図から分かるように、トランジスタセル100は、2つの狭端部113を有し、ソースプレート111及びドレインプレート112を含む一般的な長手方向形状を有する。
次に、本発明の幾つかの実施形態による、トランジスタセル100のゲート金属層150、金属0層160及び金属1層170の概略的な部分的上面図である図2を参照する。図2は、上で定義された層を有する図1のマーク付けされた領域Aの拡大図である。軸BBは、トランジスタセル100のその長手方向寸法に沿った中心を定める。
次に、本発明の実施形態による、図2に描かれた区切り線AAに沿った例示的なトランジスタセル100の概略的な部分的断面図である図3を参照する。本発明の実施形態によれば、トランジスタセル100は、底部から頂部へと列挙される以下の層、シリコン基板110、III−V窒化物半導体層120、オーミック金属ソース端子130、オーミック金属ドレイン端子140、及び、誘電物質122によって絶縁された複数の導電性金属相互接続層を含む、層状構造体とすることができる。金属層は(やはり底部から頂部へ列挙される)オーミック金属層135、ゲート金属層150、金属0層160、金属1層170及び最終金属層180を含むことができる。金属層は、相互接続ビア、例えば、ビア1 190及びビア2 195により必要に応じて、電気的に相互接続することができる。オーミック金属層135は、オーミックドレイン140及びオーミックソース130を含むことができる。
ゲート金属層150は、ゲート金属層150から、オーミックドレイン140とオーミックソース130との間で半導体層120まで延びる、突出部であり得るゲート金属152を含むことができる。幾つかの実施形態によれば、図3上でLrとマーク付けされたゲート金属152の長さは、1〜2.5マイクロメートル(μm)の2μmを除いた範囲とすることができる。この範囲は、ゲートの基準長さとは異なる。
ゲート金属層150は、ゲート金属層150のオーミックドレイン140の方への延長であるゲート−ドレインオーバーハング154、及び、ゲート金属層150のオーミックソース130の方への延長であるゲート−ソースオーバーハング156を含むことができる。図3上でLfpgdとマーク付けされた、ゲート−ドレインオーバーハング154の幅、及び、図3上でLfpgsとマーク付けされた、ゲート−ソースオーバーハング156の幅は、それぞれ、トランジスタセル100のゲート−ドレイン容量Cgd、及びゲート−ソース容量Cgsに影響を与える可能性がある。ゲート−ドレインオーバーハング154の幅Lfpgdは、0.2μm〜2.5μmの範囲とすることができる。ゲート−ソースオーバーハング156の幅Lfpgsは、0.3μm〜1μmの範囲とすることができる。ゲート−ドレインオーバーハング154及びゲート−ソースオーバーハング156の幅の変化は、それぞれ、Cgd及びCgsを変化させる可能性があり、ミラー(Miller)比に等しいCgd対Cgs比を減少させる可能性がある。知られているように、ミラー比の減少は、トランジスタセル100の性能を向上させ得る。
当業者には知られているように、ゲート−ドレインオーバーハング154を広げること(Lfpgdを増すこと)は、電界を減らす正の効果、及びミラー効果を増す負の効果をもたらす。ゲート−ドレインオーバーハング154の幅を、本明細書において明記される範囲まで減らすことは、トランジスタセル100の性能を向上させるが、同時に信頼性を低下させることになるレベルまで電界を大きくする危険性を有する。しかし、本明細書で開示されるトランジスタセル100は、ゲートフィールドプレート154の幅を減らすにも関わらず、望ましい信頼性をもたらし、同時に減少したミラー効果の利点をもたらす。
次に、本発明の幾つかの実施形態による、トランジスタセル100のゲート金属層150の概略的な部分的上面図である図4を参照する。ゲート金属層150は、トランジスタセル100の両側に、トランジスタセル100の狭端部におけるワイドニング115を含むことができる。ゲート金属層150のワイドニング115の幅は2〜5μmの範囲内にすることができる。そのような構成は、ゲート又はゲートネットワークのRC時定数を改善することができ、ゲート金属層150を、金属1層170(図6及び図7に示される)の一部であるゲートバス172に電気的に接続するためのビア1アレイ192(例えば、複数のタイプ1ビアを含むアレイ)を配置するための拡張された面積をもたらすことができる。トランジスタセル100のビア1アレイ192は、図2及び図6の中に見ることができる。従来技術の設計は、典型的には、ゲート金属層をゲートバスに接続するための2つのビアを含む。ゲート容量の充電及び放電電流は典型的にはビア1アレイ192を通って流れる。ビア1アレイ192内に少数のビアを有することは、ビア1アレイ192の過熱をもたらす可能性があり、それ故に、充電及び放電電流を制限し又は減らし、トランジスタの信頼性を低下させる。さらに、充電及び放電電流の制限は、スイッチング時間の劣化をもたらし、システム全体の効率を低下させる。典型的な設計は、ゲート金属層の拡幅がセルトランジスタのソースとゲートとの間の寄生容量を望ましくなく増加させる可能性があるので、既知のゲート金属層は2つより多くのビアを配置することができるには十分に広くないため、2つのみのビアを含む。本明細書において開示されるワイドニング115の丸い形状及びサイズは、充電及び放電電流値と余分な寄生容量との間の良好なトレードオフをもたらすことができ、トランジスタの早期故障を引き起こし得る鋭利な端部を除去する。
次に、参照トランジスタセル500のゲート金属層550、金属0層560及び金属1層570の概略的な部分的上面図である図5、並びに、トランジスタセル100の金属0層160及び金属1層170の概略的な部分的上面図である図6を参照する。金属1層170はゲートバス172を含み、金属1層570はゲートバス572を含む。図5は、金属1層570の金属0層560への従来技術の接続を示し、図6は、本発明の幾つかの実施形態による、金属1層170の金属0層160への接続を示す。金属0層160と金属1層170とを電気的に接続するビア194は、タイプ1ビアである。図5に描かれる従来技術の設計において、典型的には2つのタイプ1ビア590が、トランジスタセル500の各々の丸みを帯びた端部内に配置され、それ故に、全部で4つのタイプ1ビア590が金属1層570を金属0層560へ接続する。本発明の実施形態によれば、図2に示されるように、タイプ1ビア194が、トランジスタセル100の長手方向寸法に沿って配置される。図2から分かるように、タイプ1ビア194は、トランジスタセル100の長手方向寸法に沿って分布させることができる。それ故に、金属0層160と金属1層170とを電気的に接続するタイプ1ビア194の総数は、6より多くすることができる。より多くのビアを使用することの利点は、多数のビアが金属0層160を横切る迅速な電圧分布をもたらし、それにより、トランジスタセル100のスイッチング速度を改善することができることである。
さらに図6には、幾つかの実施形態による金属1層170と金属0層160との相対的位置が示される。図から分かるように、金属1層170は、金属0層160を超えてトランジスタセル100の中心に向かって延びることができ、第2のフィールドプレート176を生成するか又は定めることができる。本発明の実施形態により、3〜6μmの範囲にすることができるフィールドプレート176の幅は、図3上でLfpm1とマーク付けされる。この第2のフィールドプレート176は、トランジスタセル100のゲート−ドレイン領域内部の電界分布を改善することができる。金属1層170と金属0層160との間の重なりLOLM0M1は、所望に応じて−1μmから7μmまで(即ち、1μmの離れから1μmの重なりを有するまで)変化することができる。
次に、本発明の幾つかの実施形態による、金属1層170の概略的な部分的上面図である図7を参照する。幾つかの実施形態によれば、金属1層170は、トランジスタセル100の長手方向寸法に沿って延びることができる開口174を含むことができる。幾つかの実施形態によれば、開口174は、ゲート−ドレイン領域の上方に配置することができる。トランジスタセル100内の開口174のサイズ、形状及び配置は、Cgdの値に影響を及ぼす可能性がある。具体的には、開口174は、望ましいことに、Cgdを減少させることができる。
次に、本発明の幾つかの実施形態による、最終金属層180の概略的な部分的上面図である図8を参照する。幾つかの実施形態によれば、最終金属層180は、各々が台形形状(例えば、図8に示される台形の形状)を有してトランジスタセル100の2つの列の下を延びることができる、ドレインプレート112及びソースプレート111を含むことができる。例えば、ソースプレート111をドレインプレート112に対して背中合わせにすることができ、それにより、ドレインプレート112の台形の広い底が一方の側にある場合には、ソースプレート111の台形の広い底が反対の側にある。ソースプレート111及びドレインプレート112は、ソースプレート111及びドレインプレート112におけるタイプ2ビア195を通して、金属1層170への良好な電気的接続をもたらすことができる。最終金属層180上に台形型ドレインプレート112及びソースプレート111を有することは、最終金属層電極上のソース及びドレインの最も広い端部におけるボンドパッド位置のため、トランジスタセル100における電流密度をドレインプレート112及びソースプレート111に沿って実質的に一定に保つために役立ち得る。最終金属層180はさらに、引用によりその全体が本明細書に組み入れられる、本出願の出願人による米国特許第9,064,864号に記載されている。
図1に戻ると、幾つかの例証的な実施形態による、金属1層170を最終金属層180に電気的に接続するタイプ2ビア195の配置が示されている。幾つかの例証的な実施形態によれば、例えばタイプ2ビア195は、金属1層170からのドレイン領域を、種々のトランジスタセル100からのドレイン電流を集める最終金属層180内のドレインプレート112に接続することができる。同様に、タイプ2ビア195は、金属1層170からのソース領域を、種々のトランジスタセル100からのソース電流を集める最終金属層180内のソース領域111に接続することができる。図1から分かるように、タイプ2ビア195の数又は量は、最終金属層180における対応するドレインプレート112又はソースプレート111の局所的サイズ又は幅に適合させられる。例えば、図1の最右セル内のドレインプレート112は、他のセルに比較して大きい又は幅広であり、金属1層170を最終金属層180内のドレインプレート112に接続するタイプ2ビア195の数は、それぞれ大きい。しかし、そのセルのソースプレート111は比較的小さいか又は狭いので、比較的少数のタイプ2ビア195が、金属1層170をこのセル内の最終金属層180内のソースプレート111に接続する。この状況は、最左セルに対しては逆である。ドレインプレート112及びソースプレート111のサイズ又は幅は、これらのプレート内の電流密度に対して設計されるので、例えば、電流密度が高くなると予想される場合にはドレインプレート112の領域はより大きいか又はより幅広であり、逆もまた同様であり、タイプ2ビア195の数は、高い電流密度の領域内では増加する。
本発明の特定の特徴が本明細書において示され、説明されたが、今や、当業者には多くの修正物、置換物、変化物、及び等価物が思い浮かぶであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、全てのそのような修正物及び変化物が本発明の真の趣旨の範囲に入るものとして包含することが意図されていることを理解されたい。

Claims (4)

  1. 長手方向の寸法を有する複数のトランジスタセルを備えるGaN電界効果トランジスタ(FET)であって、前記トランジスタセルの各々は、
    シリコン基板と、
    III−V窒化物半導体層と、
    オーミック金属ソース端子及びオーミック金属ドレイン端子を備えるオーミック金属層と、
    ゲート−ドレインオーバーハング、ゲート−ソースオーバーハング及び前記トランジスタセルの各々の狭端部におけるワイドニングを備えるゲート金属層であって、前記ゲート−ドレインオーバーハングの幅が0.2μm〜2.5μmであり、前記ゲート−ソースオーバーハングの幅が0.3μm〜1μmであり、前記ゲート金属層の前記ワイドニングの幅が2〜5μmである、ゲート金属層と、
    金属0層と、
    ゲートバスを備え、前記金属0層を超え、前記トランジスタセルの前記長手方向寸法に沿って、前記トランジスタセルの中心に向かって延びて第2のフィールドプレートを定める金属1層であって、前記第2のフィールドプレートの幅が3〜6μmであり、前記金属1層と前記金属0層との間の重なりが−1μm〜7μmである、金属1層と、
    各々が台形形状を有するドレインプレート及びソースプレートを備える最終金属層と、
    各々が、前記ゲート金属層のワイドニングに配置され、前記ゲート金属層を前記ゲートバスに電気的に接続するための、2つの第1のビア1アレイであって、各々が2つより多くのビアを含む、2つの第1のビア1アレイと、
    前記トランジスタセルの長手方向寸法に沿って分布し、前記金属1層を前記金属0層に電気的に接続するための、6つより多くのタイプ1ビアと、
    前記金属1層からのドレイン領域を前記最終金属層内の前記ドレインプレートに電気的に接続し、前記金属1層からのソース領域を前記最終金属層内の前記ソースプレートに電気的に接続する、複数のタイプ2ビアと、
    を備え、
    ゲート金属層、金属0層及び金属1層は誘電物質によって絶縁される、
    GaN FET。
  2. 前記GaN FETは、Dモード又はEモードGaN FETである、請求項1に記載のGaN FET。
  3. 前記金属1層は、前記トランジスタセルの各々の前記長手方向寸法に沿って延びる開口を含む、請求項1に記載のGaN FET。
  4. 前記金属1層からのドレイン領域を前記最終金属層内の前記ドレインプレートに電気的に接続するタイプ2ビアの数は、前記ドレインプレートの幅に適合させられ、前記金属1層からのソース領域を前記最終金属層内の前記ソースプレートに電気的に接続するタイプ2ビアの数は、前記ソースプレートの幅に適合させられる、請求項1に記載のGaN FET。
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